автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка металлических вибропоглощающих материалов для борьбы с шумом на производстве

ртв

На правах рукописи

ХОХЛОВ ПАВЕЛ ПАВЛОВИЧ

УДК 628.517

РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ БОРЬБЫ С ШУМОМ НА ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда

Автореферат диссертации, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена

в ТОО научно-внедренческом предприятии "Шумомер" (г. Алма-ты)

Научные руководители:

доктор технических наук, доцент Е.Б. Утепов

кандидат технических наук, доцент В.А. Муравьев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

А.С. Никифоров А.А. Парфенов

Ведущая организация:

АО "Теплоэнергооборудование"

Защита состоится «¿>2» с199 а <¿3 часов

на заседании диссертационного совета К053.08.05 в Московском государственном институте стали и сплавов (технологический университет) по адресу: 117936, Москва, Ленинский проспект, 4.

Автореферат разослан " ' Р -[99

Л

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

В.А. Муравьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Диссертация выполнена на основе исследований автора, в 1990-1997 гг. Поставленные в диссертации задачи решаются в основном на примере машиностроительной и металлургической отраслей промышленности.

Высокий уровень шума на предприятиях тяжелой промышленности (металлургия, машиностроение, энергетика и др.) стал одним из самых распространенных вредных факторов производственного процесса.

С увеличением производительности машин и механизмов, а значит и с ростом скоростей их рабочих органов, возрастают уровни шума и вибрации, вредно воздействующих на человека.

В ориентировочной характеристике уровней ударного, механического и аэродинамического производственных шумов в особую группу выведен шум ударного происхождения, который генерирует на различных производствах и достигает уровня в 118-120 дБ. Уровень механического шума токарных, обдирочных, строгальных и др. станков составляет 93-105 дБ. В металлургической промышленности широко распространен шум аэродинамического происхождения, характерный для центробежных вентиляторов, компрессорных станций, численно оценивается в 105-118 дБ. В подавляющем большинстве отраслей промышленности и, особенно, в металлургии преобладают шумы тональные и ударные, характеризующиеся как наиболее вредные. Если шум монотонный, без чрезмерных импульсов, повреждение человеческого уха соответствует общей дозе шума, которому подвергался рабочий в течение работы. Однако, это нельзя отнести к случаю, когда шум характеризуется короткими импульсами. При таком характере шума резко возрастает опасность потери слуха. Этот вид шума существенно отличается от постоянного шума, при котором время и общая шумовая доза вызывает нарушение усталостного характера. Неожиданные и импульсные шумы могут вызвать реакцию испуга и неадекватность поведения. Кратковременное действие шума на организм работающего вызывал увеличение диастолического кровяного давления, синусовой аритмии, а также снижение показателей умственной работоспособности. Короткие импульсы звука с относительно высокой энергией, содержащиеся в области 4 кГц,

почти всегда усиливаются резонансом в наружном и среднем ухе, так что эти импульсы достигают внутреннего уха с амплитудой на 10-12 дБ больше, чем другие типы шума. Многочисленными медицинскими исследованиями в нашей стране и за рубежом доказано вредное влияние на человека продолжительного воздействия шума высокой интенсивности.

Повышенный уровень шума влияет на нервную и сердечно-сосудистую системы, репродуктивную функцию человека, вызывает раздражение, нарушение сна, утомление, агрессивность, способствует психическим заболеваниям. Некоторые специалисты утверждают, за счет повышенного шума заболеваемость в городах увеличивается на 30 %. Так в Германии более 40 % страдают от шума, из этих 40 % примерно 1/3 имеет расстроенное здоровье.

Ограничение вредного воздействия шума не только улучшает санитарно-гигиенические условия рабочих и служащих, но и приобретает большое технико-экономическое значение. Известно, что шум - один из вредных факторов, снижающих производительность труда. Отечественными и зарубежными специалистами установлено, что шум снижает работоспособность при умственном труде на 60 %, а при физическом — примерно на 30 %. А ведь только один процент производительности труда в промышленности СНГ - это продукция, созданная трудом почти 600 тыс. рабочих. Снижение производственного шума до санитарных норм обеспечивает как социальный, так и экономический эффект. Экономия обеспечивается повышением производительности труда, снижением условных трудовых потерь, а также снижением потерь общества, возникающих вследствие изменения трудоспособности рабочих с поврежденным слухом после перехода их на другую работу. Все эти причины обусловили решение проблемы снижения производственного шума вообще и ударного шума, в частности. Однако, если теория вопроса снижения производственного шума разработана в достаточной степени, практическая сторона этой проблемы рассмотрена еще слабо. Следует отметить, что наиболее рациональным методом борьбы с шумом является снижение его в источнике возникновения, что достигается применением материалов с повышенными демпфирующими свойствами.

К настоящему времени накоплен достаточный обширный эмпирический материал о шумовых характеристиках оборудования, эксплуатирующегося в различных отраслях промышленности, однако еще недостаточно исследованы акустические свойства наиболее распространенных конструкционных материалов, из которых изготовлены корпусные детали и отделочные узлы машин и механизмов. Недостаточно изучен вопрос распространения звуковых волн по реальной конструкции. Отдельные исследования демпфирующих свойств

металлических материалов касаются, как правило, лишь определенных марок сталей и сплавов. В то же время отсутствуют характеристики демпфирующих свойств по группам наиболее распространенных марок сталей.

В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследования влияния химического состава, термообработки, физико-механических характеристик на скорость затухания звуковых колебаний с целью разработки металлических материалов для борьбы с шумом в источнике возникновения.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является снижение шума ударного происхождения за счет использования металлических материалов с повышенной скоростью затухания.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать установку для исследования параметров звукоиз-лучения металлических материалов (в том числе скорость затухания звука после соударения);

- оценить влияние микроструктуры разработанных сплавов на скорость затухания звука (СЗЗ) после удара;

-разработать металлические материалы с повышенной СЗЗ и сравнить их с широко используемыми стандартными сталями;

- оценить физико-механические характеристики разработанных сплавов и выяснить их зависимость от СЗЗ;

- осуществить на производстве внедрение шумозащитных конструкций.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования, включающие системный анализ, физическое моделирование, натурные и лабораторные испытания.

Научную новизну работы составляют:

- закономерности воздействия демпфирующих свойств разработанных сплавов на скорость затухания звука при соударении;

- методика исследования шума ударного происхождения.

На защиту выносятся новые научные данные о влиянии химического состава, микроструктуры на скорость затухания звука при соударении; разработанные новые металлические материалы с повышенными демпфирующими свойствами, обеспечивающими эффективное гашение производственного шума соударяющихся деталей.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:

- корректностью постановки основных задач исследования, достаточным объемом исходных данных и инструментальных исследований;

- совокупностью и достаточной сходимостью результатов лабораторных и промышленных исследований демпфирующих свойств;

- положительными результатами производственных испытаний на предприятии с повышенным уровнем импульсного шума.

Практическая ценность работы:

- разработана новая установка для исследования скорости затухания звука металлических пластинчатых образцов;

- разработаны легированные металлические материалы с повышенной скоростью затухания для использования в технике борьбы с шумом;

- исследованы скорости затухания звука известных и распространенных марок сталей.

Реализация работы. На Алматинском АО "Теплоэнергооборудо-вание" внедрена шумозащитная конструкция, обеспечившая снижение импульсного шума.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований и основное содержание опубликованных работ докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-практической конференции с международным участием "Акустическая экология — 90" (Ленинград, 21-23 мая 1990 г.), II Международной конференции "Борьба с шумом и звуковой вибрацией" "Дыбыс-95" (Актюбинск, 1995 г.), научно-технических семинарах МВП "Шумомер" (1993-1997 г.г.)

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в двух тезисах докладов и экспоната выставки Международных конференций.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, содержащих 152 страницы машинописного текста, включая иллюстрации, 10 таблиц, список использованной литературы из 134 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, сформированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, показана актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ методов снижения производственного шума в целом и ударного в частности.

Анализ работ специалистов по борьбе с шумом позволил оценить преимущёство и недостатки известных методов исследования ударного шума, разработанные материалы и конструкции с повышенными демпфирующими свойствами и поставить задачи для поиска оптимального решения.

Предприятия тяжелой промышленности (металлургия, энергетика, машиностроение, полиграфия и др.) характеризуются большим числом и разнообразием источников шума. Среди них наиболее высокие УЗД характерны для ударного шума.

К настоящему времени специалистами накоплен достаточный опыт борьбы с производственным шумом. К наиболее известным относятся: звукоизоляция; звукопоглощение; применение вибропоглощаю-щих материалов на базе неметаллов (пластмассы, резина и др.); увеличение жесткости конструкции с целью уменьшения амплитуды колебаний; применение демпфирующих устройств; использование сталей и сплавов с повышенными диссипативными характеристиками; рациональное расположение оборудование; глушители; индивидуальные средства защиты; организационные мероприятия.

Звукоизоляция и звукопоглощение часто применяются в технике борьбы с шумом, однако это ведет к увеличению габаритов машины, затруднению доступа к узлам изолируемого объекта, нарушает условия компактности. Кроме того, повышается пожарная опасность и накопление пыли. Увеличение жесткости ведет к нежелательному росту массы. Специальные демпфирующие устройства усложняют конструкцию оборудования. Рациональное размещение оборудование требует значительных капитальных затрат. Индивидуальные средства защиты от шума маскируют предупреждающие сигналы об опасности на производстве, организационные меры не всегда могут быть применимы.

Применение неметаллических материалов для снижения шума в источнике возникновения затруднено из-за недостаточных прочностных свойств, особенно при высоких температурах и в условиях воздействия агрессивных сред.

Наиболее перспективным методом снижения шума ударного происхождения является использование металлических материалов на основе железа (стали и сплавы) с повышенными демпфирующими свойствами. Использование конструкционных сталей с повышенным и демпфирующими свойствами выгодно отличаются от других методов снижения шума:

— нет необходимости для увеличения габаритов машины, что затрудняет доступ к узлам изолирующего объекта (звукоизоляция, звукопоглощение);

- возможность использования при повышенных температурах и

при воздействии агрессивных сред, т.е. там, где не могут быть использованы неметаллические демпфирующие материалы;

- невысокая стоимость этих материалов по сравнению с демпфирующими цветными сплавами;

— высокие механические характеристики при эксплуатации.

Сплавы с повышенными демпфирующими свойствами и с достаточным комплексом физико-механических характеристик можно рекомендовать для изготовления деталей и узлов, работающих в режиме соударения.

Сплавы на основе железа также известны как демпфирующие материалы, в которых использовали целую группу легирующих элементов (хром, кобальт, молибден, вольфрам, ниобий, кремний, никель, медь, алюминий, титан, ванадий, тантал, цирконий, марганец, свинец, бор и др.).

Листовая сталь находит все более широкое применение в качестве конструкционного материала для изготовления различных механизмов промышленного оборудования. Решать вопросы борьбы с шумом этих механизмов можно еще на стадии проектирования, если предусмотреть в разрабатываемых конструкциях использование материалов с повышенными демпфирующими характеристиками.

Сложнолегированные сплавы на основе марганца, меди, магния, титана, никеля и др. элементов хотя и обладают повышенными демпфирующими свойствами, но их применение ограничено как высокой стоимостью, так и низкой стойкостью при интенсивном износе (особенно при высоких температурах). Поэтому остается актуальной проблема разработки демпфирующих сплавов и сталей на основе железа, характеризующихся высокими прочностными и технологическими свойствами и низкой стоимостью.

Среди черных металлов традиционно высокодемпфирующим проявил себя серый чугун. Однако следует отметить низкие прочностные характеристики серых чугунов по сравнению со сталями. Чугу-ны, первые конструкционные материалы, которые использовались как сплавы с высокими демпфирующими свойствами.

Также в качестве демпфирующих сплавов на основе железа зарекомендовали себя графитизированные стали.

Одной из важнейших характеристик демпфирования является скорость затухания звуковых колебаний в структуре сплава.

Анализ работ специалистов по вопросам разработки сплавов демпфирования показывает, что заметен интерес в создании таких материалов, но в то же время следует отметить недостаточность исследований по наиболее распространенным конструкционным сплавам на основе железа. Также следует признать, что во многих работах игнорируется

один из важнейших параметров демпфирования сплавов - скорость затухания звуковых колебании при ударе. А ведь эта характеристика наиболее информативная при выборе материалов по диссипативным характеристикам. Именно чем быстрее обеспечивает затухание ударного процесса тот или иной материал, тем эффективнее гашение одного из самых вредных разновидностей шума.

Таким образом, изучение литературных источников о разработке металлических материалов с повышенными демпфирующими свойствами позволяет сделать следующие выводы:

1. Химический состав и термообработка оказывают заметное влияние на изменение диссипативных свойств сплавов.

2. Сплавы на железной основе хотя и обладают повышенными демпфирующими свойствами, однако из-за высокой стоимости и низкой стойкости при повышенных температурах, ограничены в применении.

3. Известные данные о демпфирующих свойствах стандартных сталей, таких как 35, 45, 20Х, 14Г2 и др. позволяют сделать вывод, что необходимо разработать новые низколегированные стали с более высокими демпфирующими свойствами.

4. В качестве одной из важнейших демпфирующих характеристик разрабатываемых сплавов необходимо выбрать скорость затухания звуковых колебаний при соударении.

5. Имеются противоречивые сведения о влиянии термообработки и физико-механических характеристик на демпфирующие свойства металлических материалов.

Исследование демпфирующих свойств металлических материалов при ударном возбуждении является наиболее корректной формой исследования при разработке конструкций машин и механизмов, генерирующих шум ударного происхождения.

Работы специалистов по борьбе с шумом показывают, что проблема снижения производственного шума является актуальной. Внимание следует уделить шуму соударяющихся деталей, являющийся особо вредным производственным фактором.

Снижение шума в источнике возникновения в результате применения сплавов с повышенными демпфирующими свойствами получает широкое распространение.

При исследовании демпфирующих свойств металлических материалов для использования в технике борьбы с шумом соударений в качестве критерия оценки часто принимается значение УЗД, очень редко скорость затухания звука. Однако существующие устройства для исследования зву-коизлучения сплавов страдают существенными недостатками, главным образом нгокой точностью измерения. Практически нет работ, оценивающих сплавы только по скорости затухания звука в структуре металла.

Целью исследования являлась разработка металлических материалов с повышенной скоростью затухания для использования в технике борьбы с производственным ударным шумом.

В настоящей работе поставлены следующие задачи:

- провести аналитический обзор известных методов исследования шума соударений;

- исследовать демпфирующие и акустические характеристики сплавов с различным химсоставом, термообработкой;

- исследовать процессы соударения деталей (длительность удара, величину пластической деформации при соударении) и установить связь этих характеристик с демпфирующими свойствами сплавов;

- сравнить скорость затухания разработанных сплавов с известными стандартными сталями и использовать лучшие из них в реальном производстве для снижения шума;

- разработать рекомендации по снижению шума ударного происхождения с использованием созданных материалов и конструкций.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований, описана аппаратура для проведения экспериментов.

В работе в задачу исследования входило установление зависимости структурных составляющих металлического материала с показателями демпфирования, а также установлении связи акустических и демпфирующих свойств с определяющей демпфирующей характеристикой - скоростью затухания звука.

В качестве объекта исследования были выбраны сплавы с содержанием углерода от 0,01 до 0,3%, т.е. диапазон доэвтектоидных, эф-тектоидных и за эвтектоидных сталей. Была поставлена задача дать оценку демпфирующих свойств доэвтектоидным низко-, средне- и высоколегированным сталям. В качестве л.э. были выбраны

кремний 0,2-1,0%

марганец 0,2-2,2 %

никель 0,2-1,0%

хром 0,01-1,6%

ванадий 0-1,5%

ниобий 0,05-1,4%

молибден 0,1-2,8%

титан 0,1-0,9%

алюминий 0,5-1,4%

бор 0-0,5 %

церий 0-0,5 %

лантан 0-0,8 %

кальций 0-0,8 %

Сплавы отливали в тигельной индукционной печи с основной футеровкой (масса отливки 6-12 кг). Основа сплава - армко-железо. Отливку, прокатку, термообработку и мех обработку проводили по единой технологии на одном и том же оборудовании. Отклонение от размеров составляло <0,1 мм.

Режимы термообработки:

- отжиг - нагрев до Ас3 + (30-50°С), выдержка 50-80 минут, охлаждение с печью;

- закалка - нагрев до Ас3+ (30-50°С), выдержка 30-40 минут, охлаждение в масле.

Нагрев образцов проводили без доступа воздуха.

Исследование характеристик звукоизлучения проводили на установке УДИСЗЗ-1, разработанной автором.

Схема установки представлена на рис 1. Установка для исследования скорости затухания звука (УДИСЗЗ-1) представляет собой следующее. На металлическом основании 1 жестко установлены стойки 3 и 4. На стойке 4 закреплены подвижная пластина 6, электромагнит 7 и пусковое устройство эл. магнита 15. Ударник (шарик из стали ШХ-15 диаметром 10,3 мм) устанавливается между неподвижным выступом 19 стойки 3 и подвижной пластиной 5. Подвижная плита 6 снабжена пружиной 34, позволяющей возвращать плиту 6 в исходное состояние после процесса соударения.

Образец для исследования (пластина размерами 50x50x5 мм) защемляется между туго натянутыми капроновыми нитями 8. Нити одними концами закреплены к крючкам 16, а другими концами через лебедеу 9, крепящейся к стойке 20, к грузу 10.

Стойка 20 лебедки 9 имеет возможность менять высоту за счет гайки 21 и резьбовой части стойки 22. Такое устройство лебедки позволяет изменять расстояние от образца до ударника - для исследования амплитудной зависимости звукоизлучения.

Крючки 16 установлены на расстоянии 2 см друг от друга в количестве 20 штук. Это сделано для возможности изменять расстояние между ударником 2 и'образцом 5 для исследования амплитудной зависимости звукоизлучения.

Микрофон 11 шумомера 13 установлен под образцом на расстоянии 200 мм за счет штатива 23, расстояние от микрофона до образца можно изменять. Шумомер 13 последовательно соединен с осциллографом 14. Шары после соударения с образцом попадают в приемник шаров 12, снабженный демпфирующей наклонной плоскостью 17.

Шары после соударения из приемника шаров 12 по нижнему наклонному желобу скатываются к основанию 24 элеватора 25. Элева-

Рис. 1. Установка для исследования скорости затухания звука УДИСЗЗ-1.

1 - основание; 2 - ударных (шарик); 3,4- сгоЛкн; 5 - образец, (50 я 50 х 5 аш); 6 - подвижная пластина; 7 - эл. иагшг, 8 - нитн нетяга; 9 - лебедка; 10 - груз; 11- микрофон; 12 - прнемшис шарой, 13 -шумомер; 14 - осциллограф; 15 - пусковое устройство эл. ыагшгга; 16 - крючки крепления нитей; 17 - нижний наклонный желоб; 18 -самописец; 19 - неподвижный выступ стойки 3; 20 - стойка лебедки; 21 • гайка, 22 • резьба стойки; 23 • плата»; 24 - основание элеватора; 25 - Элеватор для подъема шаров; 26 - вертикальный желоб элеватора; 27 - верхний наклонный желоб элеватора; 28 - первый ограничитель шаров; 29 - второй ограничитель шаров; 30 - шар; 31 - трупа а остановленных шаров; 32 - пусковое устройство элеватора; 33 - третий отраничнтод шаров; 34 - дружина.

тор 25 поднимает шары по вертикальному желобу 26. Достигая верхней части элеватора, шары попадают в верхний наклонный желоб 27 элеватора, где фиксируются первым ограничителем 28. После остановки шаров, включается второй ограничитель 29, отсекающий один шар 30 из группы приостановленных шаров 31. Для проведения эксперимента исследователь (оператор) с помощью пускового устройства 32 отпускает шар 30 по верхнему наклонному желобу 27. Шар 30 свободно катится до третьего ограничителя 33. Если па плитах 19 и 6 отсутствует шар 2, то оператор выключает третий ограничитель 33 и шар 30 опускается в гнездо между плитами 19 и 6. Шар готов для свободного падения и процесса соударения.

До соударения шар 2 находится на высоте 300 мм от образца.

Для предотвращения повторного удара образец 5 слегка наклонен к горизонту. Что обеспечивает отскок шара и попадание его в приемник.

Установка УДИСЗЗ-1 работает следующим образом.

Образец 5 закрепляется между нитями натяжения 8. Шар (ударник) 2 устанавливается строго по вертикали над образцом 5.

Включая пусковое устройство эл. магнита 15, приходит в движение подвижная пластина 6. В результате чего шар 2 вертикально падает в геометрический центр образца 5. После удара шар 2 отскакивает и попадает в приемник шаров 12.

Уровень звука от соударения воспринимается микрофоном 11 и фиксируется как шумомером 13, так и осциллографом и самописцем.

Из приемника шаров, ударник (шар) по нижнему наклонному желобу 17 попадает к основанию 24 элеватора 25. Не останавливаясь шары поднимаются по вертикальному желобу 26 до верхнего наклонного желоба 27 элеватора. Здесь они свободно скатываясь по желобу останавливаются первым ограничителем шаров 28. Как только образуется группа шаров из 5 единиц, элеватор останавливается, движение шаров вверх прекращается и срабатывает второй ограничитель 29, отсекающий один шар 30 из группы шаров 31. Этот шар после отключения первого ограничителя свободно скатывается до третьего ограничителя 33. Если гнездо между плитами 19 и 6 свободно, ограничитель 33 освобождает дорогу шару 30 и он опускается на исходную точку для свободного падения. Так процесс повторяется непрерывно. В отличии от известных установок процесс исследования на УДИСЗЗ-1 имеет следующие преимущества:

- более высокая точность попадания шара в геометрический центр пластины за счет использования системы подвижная - неподвижная плита (аналогично диафрагме фотоаппарата);

- более высокая производительность проведения эксперимента за счет использования автоматического элеватора подъема шаров;

- простота конструкции, за счет использования доступных материалов, конструкций и приборов;

- универсальность установки (имеется возможность менять параметры ударного процесса - высоту падения шара; расстояние между микрофоном н образцом; размеры образца; место соударения образца и ударника - за счет возможности передвижения образца вдоль капроновых нитей).

Установка размещалась в безэховой кабине размерами 2x0,5x0,5 мм. Размеры возбуждаемой пластины и масса шара, возбуждающего звук в пластине, взаимосвязаны по формуле Кремера:

т < 4,6 хУх/хй3,

где: 5 - плотность пластины, г/см3;

/ - расстояние от точки приложения удара до ближайшего края пластины, см;

А - толщина пластины, см;

т - масса шара, г.

При этом толщина пластины должна быть не менее, чем в пять раз меньше длины и ширины пластины. Пластины размером 50x50x6 мм вполне удовлетворяют данному условию. Поверхность пластины (образца) шлифовалась по 5-6 классу чистоты. Пластина защемлялась капроновыми нитями (леска) толщиной 0,4 мм. Натяжение нитей регулировалось гирей в 5 кг. Шарик (диаметром 10,3 мм, масса 4,5 грамма, из стали ШХ-15 после закалки и отпуска, твердость 60-62 НЯСэ) удерживался на высоте 300 мм над пластиной с помощью электромагнита. При пуске шарика электромагнит выключался и шарик свободно падал вертикально на образец (пластину). Пластина располагалась под углом 5-10° к горизонту для возможности отскока шарика после соударения и недопущения повторного удара.

Использовался шарик (ударник) следующих размеров: 12,7; 11,1; 10,3; 9,5; 8,7; 8,0; 7,9; 6,0 мм (диаметр) из стали ШХ-15.

Возникающий при соударении шарика и пластины звук измерялся с использованием конденсаторного микрофона МК-101 (фирмы ЕРТ), который размещался с противоположной стороны пластины таким образом, что перпендикуляр, опущенный из мембраны на поверхность пластины, попадает в ее центр. Расстояние между мембраной микрофона и поверхностью пластины составляло 100 мм. Звуковой импульс от соударения фиксировался запоминающим осциллографом С8-13, который затем фотографировался фотоаппаратом.

Характеристиками звукоизлучения являлись уровень звука, измеренный по характеристике шумомер "Импульс" (Ьа), уровень звука,

измеренный по характеристике шумомера "Пиковый" (Ln), уровни звукового давления в октавных полосах частот в диапазоне от 250 до 16000 Гц.

Звуковой сигнал воспринимался микрофонным капоюлем МК-102. Этот сигнал преобразуется в электрический сигнал, усиливается пре-дусшштелем МК-102 и подается на вход точного импульсного шумомера модели 00017 фирмы RFT.

Прибор 00017 имеет возможность в течение 10 мкс зафиксировать пиковое значение ударного шума.

Индикатор шумомера позволяет регистрировать уровни звукового давления от 30 до 130 дБ с точностью до 0,5 дБ. Для измерения частотного спектра звукового сигнала предназначен блок октавных фильтров OF-lOl. С помощью самописца типа PSG-10I осуществляли запись звукового сигнала во времени. Запись проводили на бумажную ленту сапфирной иглой. Скорость затухания звука определяли по формуле:

v=

где: V- скорость затухания звука, дБ/с;

Ь! - максимальный уровень звука, дБ; Ь2 - уровень звука через время т, дБ. Если значения Ь} и определить нетрудно по графику затухания звукового импульса (рис. 2), то т определяли следующим образом:

1Ш ' и,

Т се*

Рис. 2. Характер затухания звукового импульса после соударения.

где: Ь/ - максимальный уровень звука, дБА; Ь, - уровень звука через время ^ ; / - расстояние спада уровня звука на ленте самописца.

— ^^ , ( 100 - скорость движения иглы самописца, мм/с)

тогда понятно, что V = ——— .

Внутреннее трение определяли не только расчетным методом. Учитывая то, что в пластине при ударе возбуждаются в основном изгиб-ные волны, внутреннее трение разработанных сплавов исследовали методом изгибных колебаний. Использовали автоматический прибор для непрерывной регистрации внутреннего трения при изгибных колебаниях стержней с электромагнитным возбуждением в диапазоне высоких частот (950 - 1000 Гц), амплитуд Ю'-Ю"4 и температур 20-600°С.

Измерения внутреннего трения проводили с помощью дискриминатора и счетчика импульсов, рассчитывая по известной формуле:

^ =£. J_h.il

я тг-п ¥п ^

где: 5 — логарифмический декремент;

Уп - начальная амплитуда;

V - конечная амплитуда;

п - число колебаний, совершенных образцом в диапазоне от начальной до конечной амплитуды.

Амплитудные потери определяли с помощью кварцевого стержня, устанавливаемого вместо образца. Такие измерения позволили оценить величину фона установки, которая значительно меньше 10"5, что на порядок величины ниже минимальных значений затухания испытуемых образцов. Характеристики внутреннего трения исследовали на образцах размерами 1,5 х 1,5 х 100 мм после горячей прокатки в диапазоне частот 950-1000 Гц при комнатной температуре 20°С. На каждом образце проводили пять замеров.

Многие исследования, посвященные проблеме ударного шума не изучали процесс пластической деформации ударника с испытуемым образцом. В то же время данные о величине пластической деформации несут в себе информацию о характере соударения, величине пластической деформации, о твердости соударяемых тел и т.д.

Испытуемый образец (пластина) после эффекта соударения с ударником (шариком) был исследован профилографом-профилометром модели 201.

В качестве образцов была использована пластина размерами 50 х 50 х 5 мм. Образцы были изготовлены из сплавов с различным химическим составом. В качестве ударника использовали шарик из стали

ШХ15 твердостью 62-65 НИСэ (после закалки и низкого отпуска), диаметром 10 мм и массой 4,5 г.'Шарик свободно падал с высоты 300 мм и отскакивал под углом 45° к горизонту. В результате удара на поверхности образца оставалась вмятина (лунка).

Одной из важнейших физических характеристик, оказывающих влияние на демпфирующие свойства исследуемых сталей, является модуль упругости.

Значение модуля нормальной упругости находили из соотношения:

Е = 2в(1 +\1)

где (7 - модуль сдвига;

ш - коэффициент Пуассона (для сталей ц - 0,23).

Определение модуля сдвига С осуществляли по методу крутильных колебаний, который сводится к определению частоты собственных колебаний образца.

о = 2,4^-Г

Е = 2 -2,24-^(1 + //)/2 = — с1 к Т

где

К = 4,8—(14-//) - постоянная величина; а

Ьт - длина образца, м; с1 - диаметр образца, м; Т - период собственных колебаний образца, с.

Жесткость образцов (пластина 50x50x5 мм) определяли по формуле:

Е-къ

2) = ———-— = А- Е = 10,998 • Е 12(1-//)

где А — толщина, мм;

Е - модуль Юнга, кгс/мм; ц — коэффициент Пуассона.

А = —--= 10,998мм

12(1-//)

Определение механических характеристик разработанных сплавов проводили стандартными методами.

Измерение твердости осуществляли на приборах Бринелля и Роквелла.

Металлографические изучения микроструктуры осуществляли с помощью микроскопов МИМ-7 и МИМ-8 при 150- и 270-кратном увеличении.

Размер зерна определяли согласно ГОСТ 5639-65. Определение неметаллических включений проводили методом JI (варианты JI, и JI2) -линейным подсчетом включений согласно ГОСТ 1778-70. Для некоторых сплавов механические характеристики (НВ, HRC3) определяли расчетным путем.

В главе третьей приведены результаты экспериментальных исследований.

Задачей исследования являлась разработка сплавов с повышенной скоростью затухания.

Легирующие элементы выбирали из соображения того, насколько часто они используются при выплавке основных конструкционных сталей, работающие в режиме ударного нагружения.

Химический состав исследованных сплавов приведен в табл. 1.

В зависимости от химического состава и вида термообработки демпфирующие свойства (уровень звука, La; уровень звукового давления, УЗД; скорость затухания звука, СЗЗ; время затухания звука после соударения, t; удельное электросопротивление У; упругие свойства G, Е) изменяются в следующих пределах.

Литое состояние: La = (75-84) дБА УЗД = (34-83) дБ СЗЗ = (74,2- 102,4) дБА/с р = (4,7- 11,3) Ом-мхЮ6 G=(7,3462-8,1122)х10ш Па t = (0,16-0,31) сек.

Отожженное состояние: La = (72 - 82) дБА УЗД = (35-82) дБ СЗЗ = (72,4 - 96,8) дБА/с t= (0,12-0,29) сек

Закаленное состояние: La = (72 - 82) дБА УЗД = (34-82) дБ СЗЗ = (70,8- 100) дБА/с t = (0,08 - 0,22) сек.

Известные данные о зависимости демпфирующих свойств железоуглеродистых сплавов от химического состава, позволяют сделать вывод о возможности создания легированных сплавов с повышенными демпфирующими свойствами. В работе были разработаны составы сплавов, обладающие оптимальным сочетанием диссипативных и прочностных свойств. Все легирующие элементы (Б1, Мп, N1, Сг, V, ИЬ, Мо, Т1, А1, В, Се, Са, Ьа) оказывают влияние на изменение демпфирующих свойств сплавов (уровень звука, уровень звукового давления, скорость затухания звука, время затухания звука, упругие свойства).

В исследуемых сплавах сочетание легирующих элементов было

Таблица 1

Химический состав исследуемых сплавов

№№ п/п Номер сплава Содержание элементов, %

С Si Мп Ni Сг V Nb Mo Ti A1 В Се Са La

1 723 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,8 0,1 0,2 0,4 0,5 - 0,5 - 0,8

2 724 - 0,25 0,4 0,80 1,20 0,5 1,4 0,6 0,4 1,4 0,08 0,3 0,005 0,040

3 730 0,05 0,7 0,3 0,5 0,3 - 1,4 0,1 0,2 1,0 0,04 - 0,005 -

4 732 0,008 0,3 2,2 0,4 0,01 0,1 0,05 1,6 0,4 0,8 0,5 0,05 0,050 0,40

5 726 0,3 0,2 0,6 0,5 0,8 0,7 0,8 0,6 0,5 1,0 0,01 0,05 0,8 0,5

6 738 0,3 0,3 0,3 0,3 1,6 0,05 0,5 2,8 0,1 0,8 0,5 0,05 0,005 0,050

7 772 0,06 1,0 1,2 0,7 1,0 0,8 0,6 0,8 0,9 1,4 0,4 0,05 0,8 0,8

8 774 0,1 1,0 0,3 0,4 0,5 0,4 0,8 0,5 0,4 1,4 0,5 0,05 0,05 0,70

9 776 0,3 0,4 0,2 0,4 0,3 0,5 1,2 0,5 0,4 1,2 0,5 0,05 - 0,005

10 737 - 0,5 1,4 1,0 1,4 1,5 0,4 0,5 0,4 1,0 0,4 0,05 0,040 0,05

Примечание: 1. Металлической основой сплавов является армко-железо

2. Содержание меди в каждом сплаве по 0,5 %, кобальта - 0,05 %.

различным, что привело после термообработки (отжиг, закалка, низкий отпуск) к различным фазовым превращениям, к образованию различных металлических структур.

Кремний, упрочняющий феррит, приводит к снижению демпфирующих свойств (сплавы 774, 737). Однако при определенном содержании углерода и кремния (0,3 %) в повышенном содержании ванадия (до 0,8 % - сплав 723, 772), лантана (до 0,8 %), возможно образование свободного углерода в форме графита, что обеспечивает снижение уровня звука при соударении. Эта закономерность проявилась в сплаве 723. Хотя сплав с 0,3 % С и 0,3 % не проявляет повышенной склонности к графитообра-зованию, однако отжиг литой заготовки стимулировал распад цементита и выделил углерод в виде графитовых включений; что в свою очередь обеспечило снижение шума на 3-8 дБА по сравнению с аналогами. Этим же объясняется повышенная скорость затухания звука у сплава 723 -94,9 и 96,8 дБ А/с соответственно после литья и отжига.

В литом состоянии самое низкое значение уровня звука характерно для сплава 723 (75 дБА).

Химический состав этого сплава характеризуется 0,3 % С; 0,3 % Бц 0,3 % Мп; 0,2 % N1; 0,2 % Сг; 0,8 % V; 0,1 % 1МЪ; 0,2 % Мо; 0,4 % П; 0,5 % А1; 0,5 % Се; 0,8 % Ьа; остальное - Бе.

Литая структура характеризуется феррито-перлитной структурой с неметаллическими включениями и соединениями С-Б!, которые и обеспечили повышенное демпфирование при соударении.

По данным марганец и его сплавы обладают высокой демпфирующей способностью при низких и высоких амплитудах деформации (а < 40 %), в сплавах Бе-Мп-С диссипативные свойства определяются в основном содержанием углерода и влиянием марганца и др. л.э. на фазовые превращения. Марганец, растворяясь в феррите и образуя соединения с углеродом в виде карбидов, повышает прочностные свойства сплавов. Из-за того, что под влиянием марганца превращения сдвигаются к пониженным температурам, а эвтектоид образуется при меньших концентрациях углерода, структура марганцевых сплавов менее дифференцирована. Так как марганец образует карбиды, легко растворяющиеся в аустените, то исследуемые сплавы даже при незначительном перегреве (850-920° С) имели крупное зерно (сплавы 774, 730, 732, 738). Образование крупного зерна привело к повышению уровня диссипации звуковой энергии при соударении.

Никель, как и марганец образует с железом твердый раствор замещения, упрочняя при этом феррит. Никель вызывает в сплавах склонность к ликвационной неоднородности, обусловленной расслоением однородного твердого раствора.

Влияние легирования сплавов никелем от 0,2 до 1,0 % на демпфи-

рующие свойства проявляется при увеличении его содержания и снижении содержания углерода (сплав 724).

В состав сплавов были включены кроме углерода, кремния, марганца и никеля и другие л.э. - хром, ванадий, ниобий, молибден, титан, алюминий, бор, церий, кальций и лантан. По сведениям некоторых авторов известно, что добавки А1, В, 14, №>, Ыа, Л, V, Та, Бп, Хп, Ъх, С и У улучшает демпфирующие свойства Ре-Со сплава. Известна также работа о комплексном легировании железоуглеродистых сплавов кремнием, марганцем, никелем, хромом, ванадием, ниобием, молибденом, титаном, алюминием, бором, церием, кальцием и лантаном. Однако, содержание этих л.э. в сплаве отличалось от предлагаемых сплавов.

В настоящей работе исследовали характеристики звукоизлучения сплавов после литья, последующих отжига и закалки с низким отпуском. После литья заготовка подвергалась нормализации при комнатной температуре. Отжиг проводили по режиму нагрева до Ас3 + 50° С, выдержка 1 час, охлаждение с печью. Закалку проводили по режиму: нагрев до Ас3 + 50° С, выдержка 0,5 часа, охлаждение в масле. Низкий отпуск - нагрев до 200-210° С, выдержка 0,3 часа, охлаждение.

Если после литья металл находился в неравновесном состоянии, то отжиг привел все сплавы в равновесное состояние, снял напряжения и стабилизировал структуру. В некоторых сплавах зерно выросло (сплавы 723, 726, 730, 737, 738, 772, 774).

Вероятно, здесь имела место вторичная рекристаллизация, но в некоторых сплавах не прошедшая до конца, т.к. наряду с крупными зернами, встречаются и мелкие.

Сплавы с ферритным зерном (сплавы 723, 724, 732, 730, 772) или феррито-перлитным обеспечивают более высокое гашение звуковой энергии, чем перлитная структура. Это связано с различной степенью анизатропии зерен перлита и феррита. Перлит - это тонкодисперсная смесь феррита и цементита, значительно слабее рассеивающая звук, чем зерна феррита.

Структура сплава 732 в литом состоянии представляет феррито-перлитную составляющую с эвтектикой.

Микроструктура сплава 776, относящегося в литом состоянии к низкодемпфирующим представляет собой мелкозернистую перлитную структуру.

Уровни звука разработанных и исследованных сплавов находятся в диапазоне 75-84 дБА. УЗД находится в пределах 34-83 дБ.

Малошумными сплавами являются сплавы 723 (75 дБА), 724 (77 дБА), 732 (78 дБА), 730 (79 дБА), 738 (78 дБА). Среднезвучащими сплавами являются 772 (80 дБ А), 776 (81 дБ А), 726 (81 дБ А). К высокозвучащим сплавам при ударных процессах относятся 774 (83 дБА), 737 (82 дБА), стали 3, 15, 45.

Причиной разного звучания сплавов при ударе является структурное состояние, зависящее от химического состава и термообработки.

Химический состав повлиял на уровень звука следующим образом. Сплав 723 (малошумный го исследованных сплавов) содержит помимо железа (основа), в отличие от других сплавов 0,8 % Ьа (максимум легирования), 0,5 % Се (максимум легирования). При этом совокупное легирование 0,3 % 0,3 % Мп; 0,2 % N1; 0,2 % Сг, 0,8 % V; 0,1 % 1ЧЪ; 0,2 % Мо; 0,4 % Тг, 0,5 % А1 позволило обеспечить снижение шума на 8-12 дБА. В этом сплаве отсутствует л.э. бор, по сравнению с другими сплавами, а также Са.

Эту концепцию подтверждает работа, в которой сказано, что л.э. "П, Мп, Сг, ИЬ - снижают уровень звука. Следует отметить, что максимальное легирование углеродом и кремнием (0,3 % и 0,1 % соответственно) привело к возникновению структуры графита, что обеспечило дополнительные демпфирующие свойства.

Высокозвонкие сплавы 774 и 737 характеризуются следующими особенностями химического состава: сплав 737 (0,5 % 81; 1,4 % Мп; 1,0%№; 1,4%Сг; 1,5 % V; 0,4 % №>; 0,5 % Мо; 0,4 % Л; 1,0%А1;0,4В; 0,05 % Се; 0,04 % Са; 0,05 % Ьа; сплав 774 - 0,1 % С; 1,0 % 81; 0,3 % Мп; 0,4 % №; 0,5 % Сг; 0,4 % V; 0,8 % ЫЬ; 0,5 % Мо; 0,4 % Ту, 1,4 % А1; 0,5 % В; 0,05 % Се; 0,05 % Са; 0,7 % Ьа.

Конкретно по влиянию термообработки на уровень звука исследованных сплавов согласно экспериментальных данных можно сказать следующее.

У сплава 723 характер зависимости УЗД от частоты следующий. В литом состоянии максимум УЗД приходится на частоту 8 кГц. Этот характер УЗД свойственен для большинства сплавов и связан с действием таких механизмов как структурные резонансы (в диапазоне 125-500 Гц), закона действия масс (диапазон 500-800 Гц), волнового совпадения (8000-16000 Гц).

В литом состоянии сплав 723 имеет максимум УЗ (рис. 3) на частотах 2-16 кГц, что и обеспечило максимум уровня звука (75 дБА). Отжиг сплава снизил УЗД на частотах 16, 8, 4, 2, 1 кГц на 2-3 дБ. Что связано с ростом зерен, утолщением границ зерен за счет фазовой перекристаллизации, что явилось дополнительным препятствием для распространения звуковой волны от соударения.

Закалка способствовала снижению уровня звука на 7 дБА по сравнению с литым состоянием. Причиной этого является образование мартенситной структуры, обеспечивающей повышенную диссипацию звуковой энергии.

У сплава 724 повышенное демпфирование (низкое значение уровня звука) обеспечивает закалка (на 9 дБА). Однако изменение Ьа (уровня звука) после литья и отжига отличается от сплава 723.

На высоких частотах (8 и 16 кГц) значения Ьа у сплавов 723 и 724 практически близки (76 дБА и 71 -72 дБА). Причиной является то, что отжиг не обеспечил значительного укрупнения зерен и утолщения границ зерен. Тем более, зерна металлической структуры после литья оказались достаточно крупными. Характер кривой УЗД в зависимости от частоты похож на изменение распространения звука при звукоизоляции.

УЗД сплава 726 после ударного воздействия похож на УЗД сплава 723: повышенное демпфирование после закалки, снижение уровня звука после отжига.

Следует обратить внимание на то, что после отжига на частотах 1 -4 кГц, УЗД минимальный, что превосходит значение УЗД даже после закалки. Мелкозернистая структура после литья не может обеспечить эффективное демпфирование. Общий характер кривой "УЗД - частота" совпадает с частотной характеристикой звукоизоляции (структурные резонансы, действие закона масс, волновое совпадение).

У сплава 730 после литья, отжига и закалки, кривая "УЗД - частота" несколько своеобразна - минимальное значение УЗД характерно для отжига (72 дБА). То же самое наблюдается на основных определяющих частотах (9 и 16 кГЦ). Причиной такого демпфирования является, скорее всего, ускоренный рост зерен и утолщение границ зерен (рис. 4). Закалка не обеспечила повышенное демпфирование из-за образования промежуточных структур - троостита и верхнего бей-нита. Также следует обратить внимание, что закалка привела к смещению области структурных резонансов у сплава 730 - минимум УЗД наблюдается не на 250 Гц, как у многих сплавов, а на 1000 Гц.

Частота, Гп

Рис. 3. Уровни звукового давления и уровни звука сплава 723.

Рис. 4. Микроструктура сплава 730 после литья, а - увеличение 270; б - увеличение 150.

Такой результат эксперимента позволяет использовать этот сплав в закаленном состоянии для снижения максимума звукоизлучения на высоких частотах.

Анализ графика зависимости "УЗД - частота" сплава 730 говорит о том, что для снижения шума на средних частотах 125-500 Гц эффективнее использовать этот сплав в отожженном и литом состоянии.

Сплав 732 в литом, отожженном и закаленном состояниях характеризуется практически одинаковым уровнем звука (78, 77,76 дБА соответственно). Хотя на частотах 2000 - 16000 Гц значения УЗД различаются. Закаленная структура этого сплава обеспечивает повышенное демпфирование на частотах 4-16 кГц. Разница УЗД по сравнению с литой и отожженной структурой составляет от 1 до 5 дБ. Но следует отметить, что на частоте 2000 Гц закалка ухудшает демпфирующие свойства на 34 дБ. Этот сплав примечателен тем, что на частоте 250 Гц (область структурных резонансов) литое, отожженное и закаленное состояние обеспечивают высокое демпфирование (34-35 дБ).

Сплав 737 является одним из самых звонких. Уровень звука этого сплава достигает в литом состоянии 82 дБ А, закалка снизила La на 1 дБА, а отжиг характеризуется 78 дБА. Микроструктура этого сплава после отжига характеризуется крупными зернами, обеспечивающими гашение ударного звука. Отожженная феррито-перлитная структура эффективно снижает шум на частотах 4,8 и 16 кГц по сравнению с литым состоянием. На частоте 8-16 кГц четко прослеживается действие волнового совпадения - резкий рост УЗД, как для литого, отожженного, так и закаленного состояний. Закаленная структура сплава 737 неэффективна с точки зрения демпфирования. На микроструктуре кроме мартенситной структуры наблюдаются промежуточные фазы, снижающие диссипативные свойства сплава. Поэтому этот сплав после закалки характеризуется невысокими значениями демпфирования - 82 дБ на частотах 8 и 16 кГц, что на 4 дБ выше, чем у отожженного состояния.

Сплав 738 относится к малошумным, так как уровень звука составляет 78 дБА, что на 4-5 дБА ниже, чем у стандартных сталей 3,15,45.

Закалка обеспечила дальнейшее повышение демпфирующих свойств сплаву 738 (на 8 дБА) по сравнению с литым состоянием. Наиболее эффективно закаленная структура снижает шум ударного происхождения на частотах 16 кГц (AL = 9 дБ), т.е. на частотах, определяющих суммарный уровень звука. На частотах 125,250,500, 1000 Гц звукоизлучение сплава в трех состояниях (литое, отожженное, закаленное) равнозначно и не оказывает влияния на суммарный уровень звукового давления.

Микроструктура сплава 738 (рис. 5) характеризуется резко выраженной гетерогенной структурой (литое и закаленное состояние), увеличенными размерами зерен после отжига.

Сплав 772 относится к среднедемпфирующим сплавам разработанной серии. Уровень звука характеризуется 80 дБА, что на 2-4 дБА ниже, чем у стандартных, широко используемых сталей в промышленности ст. 3, ст. 15, ст. 45. В то же время на 5 дБ А уступает в демпфировании ударных процессов высокодемпфирующему сплаву 723. Кривая "УЗД - частота" четко показывает действие механизмов, отвечающих за звукоизлучение этого сплава, весьма характерного для всей серии сплавов. На частотах 8 и 16 кГц резкий рост УЗД вызван действием волнового совпадения на 125-250 Гц заметное влияние структурных резонансов.

Отжиг снижает УЗД на частотах 8 и 16 кГц на 2 дБ. Такое же снижение обеспечивает дополнительно закалка (AL = 4 дБ по сравнению с литым состоянием). Использование сплава наиболее приемлемо в отожженном и закаленном (с низким отпуском) состояниях.

Сплав 774 в литом состоянии является весьма звонким (83 дБА). Но в то же время отжиг снижает УЗД на 4-5 дБ, за счет резкого роста зерен. Закалка обеспечивает также повышение демпфирующих свойств сплава, особенно на частоте 8 кГц за счет мартенситной структуры. Что интересно, уровень звука отожженное и закаленной структуры одинаков, т.е. демпфирующие свойства ферритно-перлит-ной и мартенситной структур равнозначны, что встречается крайне редко.

Сплав 776 среди разработанных и исследованных сплавов занимает промежуточное положение (81 дБ А), уступая по уровню демпфирования таким сплавам, как 738, 772, 730, 732, 724, 723, но в то же время превосходят все стандартные стали, выпускаемые промышленностью (ст. 15, 3, 45), а также сплавы 774, 737. Отжиг и закалка мало изменяют звукоизлучение этого сплава в частотном диапазоне и это является особенностью этого сплава, позволяющей его специальное применение, когда резко изменяющаяся рабочая температура детали может изменить демпфирующие свойства.

Самый тихий сплав 723 (75 дБА) характеризуется .скоростью затухания звука (СЗЗ) в литом состоянии - 94,9 дБ А/с. После отжига СЗЗ достигает 96,8 дБ А/с. Закалка доводит СЗЗ до 100 дБ А/с. Закаленная структура самая оптимальная с точки зрения демпфирования колебаний - минимальное значение уровня звука при ударе - 68 дБА, а СЗЗ - максимальна - 100 дБ А/с. Из разработанной серии этот сплав можно назвать идеальным. Однако следует учесть, что не все детали оборудования могут находиться в закаленном состоянии. Поэтому необходимо исследовать сплавы в различных состояниях.

Для деталей оборудования, которые используются в отожженном состоянии целесообразно использовать сплав 730. СЗЗ в литом со-

стоянии характеризуется 79,2 дБА/с; закалка хотя снизила уровень звука на 2 дБА, но в то же время снизила и СЗЗ с 79,2 дБА/с до 70,8 дБАУс. Отжиг снизив резко уровень звука на 7 дБА, что весьма существенно, не допустил резкого снижения СЗЗ (75,9 дБА/с). Экспериментальные данные этого сплава позволяют выбрать его в качестве демпфирующего в отожженном состоянии. Кривые затухания показывают, что звук после удара литого сплава звучит до отметки 60 дБ А 0,24 секунды; после закалки 0,17 секунды, а после отжига звучание продолжается 0,16 сек. Следует отметить, что органы слуха человека безусловно воспринимают эти сигналы, т.к. время интегрирования (срабатывания) уха равно 0,035 сек. Чем дольше звучит шум соударения и чем выше пиковое значение уровня звука, тем менее приемлем этот сплав для демпфирования ударных процессов.

Сплав 724 по характеристике уровня звука в литом (77 дБА), отожженном (76 дБ А) и закаленном (68 дБ А) состояниях считается малошумным. СЗЗ этого сплава самые высокие: 102,4 дБА/с после литья; 95,2 дБА/с после отжига, 100 дБА/с после закалки. Время звучания сплава после литья, отжига и закалки соответственно: 0,17 сек., 0,17 сек. и 0,08 сек. Учитывая невысокие значения уровня звука и повышенные скорости затухания, можно определенно назвать этот сплав в числе самых высокодемпфирующих из разработанной серии.

Если сравнить сплав 724 со стандартными сталями 15, 3 и 45, выпускаемые промышленностью для деталей, работающих в режиме циклического ударного нагружения, то анализ показывает следующее. Так, время звучания после удара у стали 15 в литом, отожженном и закаленном состояниях: 0,30 сек., 0,27 сек., 0,20 секунды, а у сплава 724 0,17 сек., 0,17 сек. и 0,08 секунды. Скорость затухания сплава 724 в литом состоянии на 22,4 дБА/с выше аналогичного состояния у стали 15, на 21 дБА/с, чем у стали 3 и на 28,2 дБА/с выше, чем у стали 45. Преимущество в скорости гашения ударного шума очевидное. В отожженном состоянии сравнение не в пользу стандартных сталей : у сплава 724 СЗЗ на 13,7 дБА/с выше, чему ст. 3 и на 22,8 дБА/с выше, чем у стали 45. Закаленное состояние у сравниваемых сплавов несколько выравнивается: при СЗЗ у сплава 724, СЗЗ у сталей 15, 3 и 45 соответственно 93,1; 98,2 и 100 дБА/с.

Сплав 726 характеризуется значительно меньшими СЗЗ по сравнению со сплавом 724 (84 дБА/с против 102,4 дБА/с в литом состоянии), однако при сравнении и этого сплава со стандартными промышленными сталями, более высокие демпфирующие свойства в литом состоянии характерны для разработанного автором материала: у сплава 726 - 84 дБА/с, а у сталей 15, 3 и 45 соответственно 80; 81,5 и 74,2 дБА/с. Время звучания ударного процесса при этом в литом со-

(

стоянии выше у стандартных сталей: 0,30; 0,27; 0,31 секунды против 0,25 секунды сплава 726. В отожженном состоянии сплав 726 уступает по СЗЗ сталям 15 и 3, превосходя ст. 45. Можно сделать вывод, что в отожженном состоянии стали 15 и 3 более выгодно использовать для демпфирования ударных циклических нагрузок. В пользу этого говорит также то, что себестоимость сталей 15 и 3 значительно ниже, чем у сплава 726.

Анализируя кривые затухания звука сплава 726, а также других сплавов, следует обратить внимание на характер изменения СЗЗ.

Кривая затухания у литого и отожженного сплава имеет разные формы. Сначала идет резкий спад СЗЗ, а затем вдет медленное снижение до уровня 60 дБ А. Линия I характеризует скоростное затухание звукового импульса после удара, а линия П характеризует процесс звучания образца после соударения, характер спада линии I определяется такими параметрами металла как модуль Юнга, модуль сдвига, а характер спада линии II определяется внутренними потерями в структуре металла и оценивается такими параметрами металла, как внутреннее трение, логарифмический декремент, относительное рассеяние. Поэтому при звучании образцов после литья и отжига четко наблюдаются обе линии. Линия II на графике отсутствует не потому, что в структуре сплава отсутствует внутреннее демпфирование, а потому что, линия II закаленной структуры лежит ниже контрольного уровня 60 дБА (рис. 6).

Сплав 732 характеризуется уровнем звука 78 дБ А, что относит его к малошумным. СЗЗ этого сплава оценивается 75; 77,3 и 100 дБ А/с соответственно в литом , отожженном и закаленном состояниях. Время звучания сплава 732 характеризуется следующими значениями 0,24; 0,22 и 0,16 секунды соответственно в литом, отожженном и закаленном состояниях. При сравнении этих параметров со значениями разработанных и исследованных сплавов, обнаруживается следующее: в литом и отожженном состояниях сплав 732 обладает одними из самых низких значений СЗЗ, уступая даже стандартным сталям. Но учитывая, что уровень звука при ударе незначителен, можно считать этот сплав достаточно демпфирующим. А в закаленном состоянии этот сплав обладает максимальной СЗЗ - 100 дБ А/с, что обеспечено содержанием марганца (2,2 %), молибдена (1,6 %), лантана (0,4 %).

Сплав 737 по уровню звука характеризуется очень высоким значением (82 дБА, состояние литое). Для использования этого сплава с целью демпфирования звуковых колебаний, очень важное значение имеет СЗЗ. При высокой СЗЗ эффект демпфирования очевиден. СЗЗ в литом состоянии составляет 86,6 дБ А/с, что является достаточно высоким, уступающим только сплавам 724 и 738, превосходящим остальные 6 разработанных сплавов и три сравниваемых стандартных

сталей. В отожженном состоянии СЗЗ также выше среднего, но при этом дополнительно следует учесть сравнительно низкое значение уровня звука (Ьд = 78 дБ А). В закаленном состоянии уровень звука этого сплава очень высокий, что никак не относит его к демпфирующим, но за счет достаточно высокой СЗЗ (98,1 дБА/с) можно признать наличие демпфирующих свойств у этого сплава. В отожженном состоянии сплав 737 нашел бы более широкое применение, чем в литом и закаленном, т. к. уровень звука здесь ниже на 3-4 дБА. В этом плане сплав 737 является аналогом сплава 730.

Сплав 738 по значениям уровней звука в литом, отожженном и особенно закаленном состояниях относится к высокодемпфирующим (соответственно 78, 76, 70 дБА). При этом достаточно высокие скорости затухания звука (90; 84,2 и 100 дБА/с соответственно). Время затухания звука (0,2; 0,19; 0,1 сек) также характеризует этот сплав как демпфирующий. Такие демпфирующие свойства обеспечены благодаря оптимальному химическому составу - по 0,3 % С, Мп, N1, высокое содержание хрома (1,6 %), молибдена (2,8 %) при незначительном содержании РЗМ.

Сплав 772 характеризуется уровнями звука (80, 79, 88 дБА, соответственно в литом, отожженном и закаленном состояниях). СЗЗ в литом и отожженном состояниях на среднем уровне (80; 86,4 дБА/с), в закаленном состоянии СЗЗ принимает достаточно высокое значение - 98,8 дБА/ с. Время звучания сплава до уровня 60 дБА соответственно - 0,25; 0,22 и 0,17 сек. Эти значения относят сплав к среднедемпфирующим. Хотя даже такие невысокие демпфирующие свойства сплава 772 превосходят стандартные промышленные стали 15, 3 и 45.

Сплав 774 по уровню звука в литом состоянии (83 дБ А) относится к низкодемпфирующим. Но по значениям СЗЗ этот сплав можно отнести к среднедемпфирующим (85,2; 85,7 и 98,9 дБА/с соответственно после литья отжига и закалки). СЗЗ сплава 774 выше, чем у стандартных сталей 3, 15 и 45. Время звучания короче, чем у тех же сталей 3, 15 и 45. Характер кривых (рис. 6) показывает, что в отожженном и закаленном состояниях этот сплав предпочтительнее при использовании для деталей шумного оборудования.

Сплав 776 по значению уровня звука в литом состоянии относится к среднедемпфирующим сплавам (81 дБ А). Отжиг и закалка повышают диссипативные свойства сплава (на 3-4 дБА). СЗЗ сплава на среднем уровне (84; 81,4; 97,7 дБА/с соответственно в литом, отожженном и закаленном состояниях). При сравнении с промышленными сталями 3, 15 и 45, этот сплав существенно превосходит их по демпфирующим свойствам.

Одной из важнейших структурно-чувствительных характеристик демпфирующих свойств разработанных сплавов, исследуемых в ра-

боте, являлось удельное электрическое сопротивление.

Удельное электрическое сопротивление определяли на образцах сплава в литом состоянии (разработанные сплавы), прокатанном состоянии (стали 3, 15,45), отожженном состоянии.

После литья сплавы имеют значения удельного сопротивления (8,6 - 11,3)0м-м-10*.

Сравниваемые промышленные стали оценены в диапазоне (5,7 -6,5) Ом-м-ЮЛ Отжиг, приводящий к аннигиляции примесей, дислокаций и других несовершенств структуры металлов, естественно, снижает значения 5 до диапазона (7,4 - 10,8) О м-м-106 (литые сплавы), (5,5 - 6,1) Ом-м-Ю"4 (прокатанные промышленные стали).

Время, г, сек.

Рис. 6. Скорость затухания звука сплава 772 после соударения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен аналитический обзор известных методов исследования соударений.

2. Исследованы демпфирующие и акустические характеристики стандартных марок сталей (ст. 3, 15, 45).

3. Разработаны и исследованы легированные железоуглеродистые сплавы с повышенными демпфирующими свойствами.

4. Разработана установка для исследования скорости затухания звука металлических пластинчатых образцов с повышенной точностью измерения и автоматической подачей ударника.

5. Исследованы физико-механические характеристики разработанных сплавов.

6. Установлена зависимость демпфирующих свойств разработанных сплавов от микроструктуры и химического состава.

7. Установлена обратно пропорциональная зависимость между демпфирующими свойствами и удельным электрическим сопротивлением сплавов.

8. На АО "Теплоэнергооборудование" внедрена шумозащитная конструкция, обеспечившая снижение импульсного шума на 6 дБА.

Список работ по теме диссертации

1. Утепов Е.Б., Лидгке В.Ю., Хохлов П.П. Исследование длительности соударения железоуглеродистых сталей и связь ее с демпфирующими свойствами. // Тезисы докладов 2-ой Международной конференции "Борьба с шумом и звуковой вибрацией" "Дыбыс-95".-Ак-тюбинск: АЦНТИ, 1995, с. 2-4.

2. Утепов Е.Б., Муравьев В.А., Хохлов, П.П.Лидтке В.Ю. Проблема снижения шума соударяющихся деталей. // Тезисы докладов 2-ой международной конференции "Борьба с шумом и звуковой вибрацией" "Дыбыс-95".-Актюбинск: АЦНТИ, 1995, с. 25-26.

3. Утепов Е.Б., Хохлов П.П., Актаев Б.Г. и др. Направляющие малошумные трубы для токарных автоматов.// Выставка средств защиты сгг шума ( организации и предприятия СССР). Перечень экспонатов выставки. Всесоюзная научно-практическая конференция с международным участием "Акустическая экология - 90 " - Л., типография ЛДНТП, 8 стр.

Хохлов Павел Павлович

РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ БОРЬБЫ С ШУМОМ НА ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда

Сдано в набор 16.03.1998 г. Подписано к печати 20.03.1998 Заказ 298/84 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.